RU188171U1 - Радиоволновой спектрометр - Google Patents
Радиоволновой спектрометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU188171U1 RU188171U1 RU2018146179U RU2018146179U RU188171U1 RU 188171 U1 RU188171 U1 RU 188171U1 RU 2018146179 U RU2018146179 U RU 2018146179U RU 2018146179 U RU2018146179 U RU 2018146179U RU 188171 U1 RU188171 U1 RU 188171U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quasi
- frequency
- generator
- radio wave
- diaphragm
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000053 physical method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 17
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- -1 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области физических измерений, в частности – к квазиоптическим радиоволновым спектрометрам, в которых в качестве источника излучения применяются перестраиваемые лампы обратной волны (ЛОВ) и используется эффект многократного взаимодействия излучения ЛОВ с исследуемым объектом. Использование: для определения электрофизических характеристик вещества в объеме малоразмерных объектов. Сущность заключается в том, что радиоволновой спектрометр включает перестраиваемый по частоте ЛОВ–генератор с блоком частотной перестройки, квазиоптический тракт, детектор излучения и включенный в квазиоптический тракт открытый квазиоптический резонатор, в котором размещается исследуемый объект. Спектрометр содержит программируемый источник импульсного напряжения, входным сигналом которого является сигнал блока частотной перестройки ЛОВ. В открытом квазиоптическом резонаторе по крайней мере одно из зеркал выполнено вогнутым, возле него установлена ирисовая диафрагма с приводным механизмом изменения диаметра апертуры, при этом приводной механизм, например, серводвигатель, управляется программируемым источником импульсного напряжения, который обеспечивает изменение диаметра апертуры диафрагмы A синхронно с перестройкой частоты f ЛОВ-генератора по закону A=c f, где с - константа. Результат - повышение чувствительности измерений и обеспечение измерений во всей полосе частот перестройки ЛОВ-генератора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Полезная модель относится к области физических измерений, в частности – к квазиоптическим радиоволновым спектрометрам, в которых в качестве источника излучения применяются перестраиваемые лампы обратной волны (ЛОВ) и используется эффект многократного взаимодействия излучения ЛОВ с исследуемым объектом в открытом квазиоптическом резонаторе типа интерферометра Фабри-Перо. Полезная модель может быть использована в научном приборостроении.
Известен радиоволновой спектрометр, в котором для обеспечения многократного взаимодействия излучения с исследуемым объектом применен открытый резонатор с вогнутыми зеркалами, обеспечивающими, как известно, значительно более высокую добротность по сравнению с резонаторами плоскопараллельной геометрии [1]. Недостатком данного технического решения является то, что при возбуждении резонатора в широкой полосе частот в нем, кроме основного типа колебаний, происходит возбуждение еще и высших типов колебаний, затрудняющих интерпретацию результатов измерений.
В качестве пространственного фильтра, подавляющего высшие типы волн, здесь может быть использована апертура применяемых зеркал: известно, что размер «пятен поля» на зеркалах для высших типов волн больше, чем для основных осевых колебаний [2]. Однако, при фиксированных размерах зеркал, обеспечивающих подавление высших мод в низкочастотной области диапазона перестройки, в высокочастотной его области, где размеры «пятен поля» для всех видов колебаний уменьшаются, высшие типы волн подавить не удается. Если же уменьшить апертуру зеркала до размеров, обеспечивающих подавление высших мод на высокочастотной границе диапазона, то в низкочастотной области снижается добротность основного вида колебаний.
Известен открытый оптический резонатор, в котором для подавления высших мод и сохранения высокой добротности основного (осевого) вида колебаний применена диафрагма, раскрыв которой соответствует диаметру «пятна поля» основной моды и не позволяет возбуждаться модам высшего порядка, поскольку «пятна поля» высших мод на зеркалах, как известно, имеют больший диаметр, по сравнению с диаметром основной моды [3].
Однако, при перестройке генератора вверх по частоте размер пятен поля всех мод (включая высшие) будет уменьшаться, соответственно, при фиксированном размере диафрагмы, оптимальном в начале диапазона, в конце диапазона перестройки ЛОВ-генератора данная диафрагма уже не будет подавлять высшие типы колебаний. Если же уменьшить размер диафрагмы до размеров, обеспечивающих подавление высших мод на высокочастотном конце диапазона, то это приведет к снижению добротности основных видов колебаний в низкочастотной области.
Наиболее близким техническим решением является ЛОВ-спектрометр, описанный в работе «Спектральные измерения диэлектрических свойств полипропиленовых пленок в субтерагерцовом диапазоне частот» [4]. В этом спектрометре многократное взаимодействие электромагнитного поля с исследуемым объектом осуществлено с помощью открытого резонатора - плоскопараллельного интерферометра Фабри-Перо, где обеспечивается преимущественно один вид колебаний, параллельный его продольной оси, и, соответственно, эквидистантный спектр резонансных частот, по измерению сдвига которых исследуемым объектом производятся измерения диэлектрической проницаемости этого объекта. Вместе с тем, добротность такого резонатора невысока и существенно зависит от степени параллельности образующих резонатор зеркал. Близкое расположение зеркал и исследуемого объекта приводит к неконтролируемым переотражениям, также усложняющим интерпретацию результатов измерений.
Цель, на которую направлена полезная модель - создать спектрометр, в котором, при возбуждении ЛОВ-генератором открытого резонатора во всем диапазоне перестройки частоты ЛОВ, в резонаторе поддерживался бы только один осевой вид колебаний, и подавлялись высшие моды резонатора, наличие которых затрудняет интерпретацию результатов измерений спектральных характеристик исследуемого объекта.
Таким образом, задача заключается в подавлении высших мод резонатора спектрометра при сохранении высокой добротности основного вида колебаний во всем диапазоне перестройки частоты ЛОВ-генератора спектрометра.
Задача решена тем, в радиоволновом спектрометре, включающем перестраиваемый ЛОВ–генератор, блок частотной перестройки ЛОВ-генератора, квазиоптический тракт, детектор прошедшего или отраженного резонатором излучения и включенный в квазиоптический тракт открытый квазиоптический резонатор, в котором размещают исследуемый объект, в отличие от прототипа, по крайней мере одно из зеркал упомянутого квазиоптического резонатора выполнено вогнутым, возле вогнутого зеркала установлена ирисовая диафрагма, оборудованная приводным механизмом для изменения диаметра апертуры, при этом спектрометр содержит программируемый источник импульсного напряжения, управляющий упомянутым приводным механизмом, причем входным сигналом программируемого источника импульсного напряжения служит сигнал блока частотной перестройки, благодаря чему приводной механизм обеспечивает изменение диаметра апертуры диафрагмы A синхронно с перестройкой частоты f ЛОВ-генератора по закону A=cf-1/2 , где с - константа. Приводной механизм может быть выполнен на основе серводвигателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого радиоволнового спектрометра (фиг. 1). Цифрами на чертеже обозначены:
1 – ЛОВ-генератор;
2 – блок частотной перестройки ЛОВ-генератора;
3 – квазиоптический тракт;
4 - детектор;
5 - открытый резонатор;
6 – ирисовая диафрагма;
7 – приводной механизм диафрагмы;
8 – программируемый источник импульсного напряжения
Радиоволновой спектрометр действует следующим образом:
При включении питания на все элементы спектрометра блок частотной перестройки 2 вырабатывает сигнал и задает ЛОВ-генератору 1 значение частоты генерации. Генерируемые ЛОВ колебания с заданной частотой поступают в квазиоптический тракт и через расположенный в нем открытый резонатор попадают на детектор. Поскольку одновременно блок частотной перестройки 2 подает сигнал на программируемый источник импульсного напряжения 8, то на привод двигателя поступают импульсы, обеспечивающие раскрыв апертуры до такой величины, которая необходима для поддержания на данной частоте только основной моды и подавления всех высших мод. Поскольку процедура спектрального исследования предполагает сканирование частоты генератора, например, ступенчато, блок частотной перестройки 2 подает генератору 1 сигнал для перестройки к следующей частоте и одновременно подает генератору импульсов 8, управляющих серводвигателем 7, сигнал к перестройке диафрагмы 6 под новую частоту. Таким образом, при перестройке ЛОВ генератора 1 происходит синхронное изменение апертуры диафрагмы 6, обеспечивающее возбуждение в резонаторе 5 только основных видов колебаний и подавление высших мод.
Заявленная полезная модель позволяет обеспечить высокую чувствительность измерений, присущую открытым резонаторам с вогнутыми зеркалами, во всей полосе перестройки.
Достижению технического результата способствует зависимость радиуса «пятна поля» открытого резонатора с вогнутыми зеркалами от частоты возбуждающих резонатор колебаний. Согласно упомянутой выше работе Л.А. Вайнштейна, в открытом резонаторе, образованном вогнутыми сферическими зеркалами, радиус «пятен поля» для всех видов колебаний пропорционален величине f -1/2 , при этом при всех значениях частоты f он минимален для основного вида колебаний.
В резонаторе с вогнутыми зеркалами с одинаковыми зеркалами радиусом вогнутости ρ, установленными на расстоянии L, радиус «пятна поля» W00 основного вида колебаний на зеркале описывается соотношением:
W00 = Ф(1/f) ½ K(L, ρ).
Существенно, что величина K(L, ρ) определяется только размерами резонатора и не зависит от частоты колебаний, то есть, радиус «пятна поля» на зеркале для резонатора с фиксированным расстоянием между зеркалами изменяется с изменением частоты по закону
W00 ~ f -1/2
Это означает, что если использовать диафрагму, апертура которой при изменении частоты f будет синхронно изменяться по указанному закону, то условия возбуждения основных (осевых) видов колебаний при перестройке генератора изменяться не будут.
Радиусы «пятен поля» на зеркалах Wmn для высших типов колебаний (m, n) ведут себя аналогично. Но, поскольку для них «пятна поля» изначально имели большие, по сравнению с основным, радиусы, то и при вариациях частоты f данное превышение будет сохраняться. Соответственно, если в начале диапазона перестройки ЛОВ размер диафрагмы выбран соответствующим сохранению добротности только основной моды, то и при перестройке частоты ЛОВ с синхронным изменением апертуры диафрагмы по указанному закону, будет сохранена добротность только основных видов колебаний и подавлены все высшие типы волн.
Применение вогнутых зеркал (хотя бы одного) позволяет возбудить в резонаторе колебания с ограниченным радиусом «пятна поля» на зеркалах, что недостижимо для резонатора с плоскими зеркалами, используемыми в плоскопараллельном интерферометре Фабри-Перо, где поле занимает всю апертуру используемых отражателей. Кроме того, в резонаторе с вогнутыми зеркалами основной вид колебаний имеет радиус, изначально меньший, нежели радиусы всех высших типов, что и используется в полезной модели, где для подавления нежелательных высших мод применяется диафрагма. Таким образом, при размещении в резонаторе диафрагмы с возможностью синхронного изменения ее диаметра с изменением частоты генератора обеспечивается возбуждение основного колебания и подавление высших мод, т.е. обеспечивается неизменный одномодовый режим во всем диапазоне работы спектрометра.
Технический результат - высокая чувствительность измерений радиоволнового спектрометра во всей полосе перестройки ЛОВ-генератора.
Цитируемая литература
1. Нонг Куок Куанг Измерение свойств диэлектриков в открытом резонаторе на частотах от 95 до 176 ГГц//Вестник ИРГТУ №3 (74), 2013, С.97.
2. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М. Изд-во Сов. Радио, 1969.
3. Р. Кольер, К. Беркхарт, Л. Лин. «Оптическая голография», под ред. Ю.И.Островского. Изд-во «Мир». - М., 1973 г. с.354.
4. С.А. Кузнецов, М.А. Астафьев, П.А. Лазорский, В.Ф. Скляров, Е.А. Лоншаков, А.В. Аржанников. //Вестн. НГУ. Серия Физика. 2014. Т9. вып. 4, С.15-38.
Claims (2)
1. Радиоволновой спектрометр, включающий перестраиваемый ЛОВ (лампы обратной волны)– генератор 1, блок частотной перестройки 2, задающий значение частоты f ЛОВ-генератора, квазиоптический тракт 3, детектор 4 и включенный в квазиоптический тракт открытый квазиоптический резонатор 5, в котором размещается исследуемый объект, отличающийся тем, что в упомянутом квазиоптическом резонаторе 5 по крайней мере одно из зеркал выполнено вогнутым, возле этого зеркала установлена ирисовая диафрагма 6 с изменяемым диаметром апертуры, оборудованная приводным механизмом 7, при этом спектрометр содержит программируемый источник импульсного напряжения 8, управляющий упомянутым приводным механизмом 7, причем входным сигналом программируемого источника импульсного напряжения 8 служит сигнал блока частотной перестройки 2, а приводной механизм 7 обеспечивает изменение диаметра апертуры A диафрагмы 6 синхронно с перестройкой частоты f ЛОВ-генератора по закону A=cf-1/2, где с - константа.
2. Радиоволновой спектрометр по п.1, отличающийся тем, что приводной механизм выполнен на основе серводвигателя.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146179U RU188171U1 (ru) | 2018-12-25 | 2018-12-25 | Радиоволновой спектрометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146179U RU188171U1 (ru) | 2018-12-25 | 2018-12-25 | Радиоволновой спектрометр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU188171U1 true RU188171U1 (ru) | 2019-04-02 |
Family
ID=66088005
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018146179U RU188171U1 (ru) | 2018-12-25 | 2018-12-25 | Радиоволновой спектрометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU188171U1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1320723A1 (ru) * | 1985-08-02 | 1987-06-30 | Институт прикладной физики АН СССР | Микроволновый спектрометр |
SU1827602A1 (ru) * | 1990-09-24 | 1993-07-15 | Inst Ispolzovaniya Prirodnykh | Paдиocпektpometp э п p |
US7755767B2 (en) * | 2002-11-25 | 2010-07-13 | Ruth Albert A | Resonator-amplified absorption spectrometer |
US20140347662A1 (en) * | 2012-05-17 | 2014-11-27 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Coupled Cavity Spectrometer With Enhanced Sensitivity and Dynamic Range |
-
2018
- 2018-12-25 RU RU2018146179U patent/RU188171U1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1320723A1 (ru) * | 1985-08-02 | 1987-06-30 | Институт прикладной физики АН СССР | Микроволновый спектрометр |
SU1827602A1 (ru) * | 1990-09-24 | 1993-07-15 | Inst Ispolzovaniya Prirodnykh | Paдиocпektpometp э п p |
US7755767B2 (en) * | 2002-11-25 | 2010-07-13 | Ruth Albert A | Resonator-amplified absorption spectrometer |
US20140347662A1 (en) * | 2012-05-17 | 2014-11-27 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Coupled Cavity Spectrometer With Enhanced Sensitivity and Dynamic Range |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
С.А. Кузнецов и др.//Вестн. НГУ. Серия Физика. 2014. Т9. вып. 4, С.15-38. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2306282A (en) | Tuning arrangement for cavity resonators | |
US3358243A (en) | Laser having interferometer controlled oscillatory modes | |
CN105811232A (zh) | 一种用于无源光学谐振腔产生模式激发光路的调节方法 | |
Valkenburg et al. | A high-Q Fabry-Perot interferometer for water vapor absorption measurements in the 100 Gc/s to 300 Gc/s frequency range | |
RU188171U1 (ru) | Радиоволновой спектрометр | |
US3426293A (en) | Diaphragm tuning of gas laser | |
US4397025A (en) | Dual frequency laser | |
US2593234A (en) | Cavity resonator | |
Saito et al. | Effect of reflection on mode competition and multi-frequency oscillation in a high-power sub-THz gyrotron: Experimental observation and theoretical analysis | |
CN112782106B (zh) | 一种获得窄线宽里德堡原子光谱的装置和方法 | |
Hansch et al. | Observation of saturation peaks in a He-Ne laser by tuned laser differential spectrometry | |
Dumbrajs et al. | Frequency tunable gyrotron FU CW VA for measuring hyperfine split of positronium | |
Bandurkin et al. | Frequency-Tunable Sub-Terahertz Gyrotron With External Mirror: Design and Simulations | |
US4110686A (en) | Piezoelectric-tuned microwave cavity for absorption spectrometry | |
Chazov et al. | Resonance characteristics in oversized slow-wave structure of a multiwave Cherenkov generator with diffraction reflectors in sub-THz frequency range | |
Demchenko et al. | The electrodynamical system of DRO-orbictron with doubled comb | |
RU2421852C1 (ru) | Перестраиваемый полосно-пропускающий волноводный фильтр для измерения частоты мощного микроволнового излучения | |
US3334314A (en) | Optical gas maser using the | |
RU2614925C1 (ru) | Генератор СВЧ шумовых колебаний | |
Tatematsu et al. | Experimental demonstration of multi-frequency-band frequency tunability with Gyrotron FU CW XA | |
Saito et al. | Development of high power sub terahertz gyrotrons for application to CTS measurement | |
RU2814853C1 (ru) | Терагерцовый полосно-запирающий волноводный фильтр | |
Moisan et al. | Experimental evidence of parametric instabilities in an unmagnetized plasma subjected to a strong HF electric field | |
SU472408A1 (ru) | Открытый коаксиальный резонатор | |
Matthaei et al. | Circular TE/sub 011/Mode, Trapped-Mode Band-Pass Filters |